La recherche au Laboratoire SLOWPOKE-2

Le réacteur SLOWPOKE-2 du CMR est essentiellement une intense source de neutrons utilisée pour l’enseignement, l’entraînement et la recherche.Il est présentement utilisé par des chercheurs de CMR, de l’Université Queen’s et du Ministère de la défense nationale. Parmi les applications analytiques rendues possibles par le réacteur, on peut citer l’analyse par activation neutronique, la radiographie neutronique, l’analyse par neutrons retardés, la production de petites quantités de radioisotopes à courte vie et le traitement par rayonnement des matériaux.

Analyse par activation neutronique

Le flux de neutrons très stable produit par le réacteur SLOWPOKE-2 est idéal pour la technique d’analyse connue comme analyse par activation neutronique.  L’analyse par activation neutronique est un outil très sensible qui permet de déterminer la composition élémentaire des matériaux.

L’AAN a plusieurs avantages sur d’autres techniques expérimentales en ce qu’elle ne requiert que de faibles quantités de matière pour les échantillons, très peu de préparation des échantillons nécessaire, et peut effectuer une identification de plusieurs éléments simultanément de façon efficace tout en ayant des limites de détection extrêmement sensibles.

En analyse par activation neutronique, un neutron est absorbé par un noyau atomique dans le matériau-cible.  Il en résulte la formation d’un noyau composé qui, lorsque radioactif, se désintègre typiquement par émission beta pour former un noyau descendant.  Le noyau descendant est généralement laissé dans un état excité et passe à l’état fondamental par émission de rayons gamma caractéristiques.

Si un échantillon est composé de différents noyaux, plusieurs noyaux excités descendants sont alors produits.  Ceci se traduit par un spectre énergétique dû à plusieurs rayons gamma caractéristiques.  Ce spectre énergétique est analysé à l’aide d’un détecteur fait d’un cristal de germanium de haute pureté couplé à un spectromètre qui détermine la composition élémentaire de l’échantillon.  Il en résulte que l’AAN est une méthode très puissance pour les études élémentaires et isotopiques d’échantillons inconnus.  Le CMR utilise des techniques basées sur l’activation neutronique pour un grand nombre de projets comme l’analyse d’éléments à l’état de traces pour le contrôle de la qualité dans des plastiques, l’analyse de divers matériaux de recherche pour des concentrations très faibles de contaminants à l’état de traces, la spectroscopie gamma de l’eau, de l’eau de mer, de sols, de biote, et la poussière de ciment, pour le nettoyage par des premiers répondants durant des exercices, et pour l’enseignement d’étudiants de premier cycle et de cycles supérieurs.

L'analyse par activation neutronique
Mme Kristine Mattson en train de placer un échantillon auprès du détecteur en cristal de germanium pour l’analyse par activation neutronique.
 

Radiographie neutronique

La radiographie neutronique est une autre technique non-destructive utilisant le flux de neutrons produits par le réacteur SLOWPOKE-2.  Cette méthode permet la discrimination de matériaux de densités comparables et fournit une image de la structure interne d’un objet.

La radiographie neutronique est basée sur la transmission de neutrons à travers d’échantillons de matériaux.  Un faisceau de neutrons est dirigé sur un objet d’intérêt et, parce que les interactions des neutrons avec les matériaux dépendent de la composition et de la densité de la cible, une image de la structure interne de l’objet est produite.   Les neutrons ont une grande profondeur de pénétration dans la plupart des matériaux, et leur comportement est plus particulièrement affecté dans les matériaux de faible masse.  La radiographie neutronique est utilisée avec succès pour étudier la structure interne des surfaces de vol des CF-188, détecter les anomalies dans la structure interne telles que la présence d’eau dans les composantes d’ailes d’avion, la corrosion structurale et l’endommagement physique. 

La structure interne d’une surface de vol d’un CF-188 comprend un matériau composite en rayon de miel.   En conditions normales d’opération, une aile de CF-188 subit de grands stress.  Ces stress causent des dommages difficiles à détecter et coûteux à réparer si on les néglige.  D’ailleurs, les dommages structurels peuvent être la cause de situations catastrophiques en vol.  La radiographie neutronique routinière facilite l’entretien de ces surfaces de vol en identifiant les sources de problèmes alors qu’elles peuvent être gérables ce qui réduit les coûts tout en augmentant la fiabilité et la sûreté de l’équipement.

La radiographie neutronique
Infiltration d'eau dans un gouvernail de chasseur-bombardier CF- 18 révélée par la radiographie neutronique (Image courtoisie du Major Paul Hungler).
 

Système de comptage de neutrons retardés

Système de comptage de neutrons retardés

Un système de comptage de neutrons retardés a été récemment construit au Laboratoire SLOWPOKE-2 et est présentement en cours de validation. Ce système détecte les neutrons retardés qui sont émis par certains produits de fission, ce qui procure au CMR la capacité de détecter l’uranium et le plutonium dans certains matériaux nucléaires. Le système de comptage de neutrons retardés prend avantage des capacités présentement offertes par le Laboratoire SLOWPOKE-2 et augmente la gamme de techniques analytiques offerte aux utilisateurs.

Traitement par rayonnement

Grâce à sa piscine non couverte, le réacteur nucléaire SLOWPOKE-2 permet à ses chercheurs et à ses étudiants d’effectuer le traitement par rayonnement de matériaux.  Au CMR, la recherche s’est concentrée sur les polymères, les adhésifs basés sur les polymères et les matériaux composites basés sur les polymères.  Les effets du champ de rayonnement mixte produit par le réacteur nucléaire SLOWPOKE-2 peuvent être sommairement décrits comme un phénomène appelé réticulation rendant les matériaux plus forts, en compétition avec un effet appelé scission de chaînes selon lequel les longues chaînes moléculaires sont brisées en segments plus courts, ce qui rend le matériau plus faible et plus facile à briser.  Le réacteur a été utilisé pour une recherche sur les adhésifs basés sur des polymères pour applications dans la construction de véhicules spatiaux.  Cette recherche s’est traduite par des améliorations importantes des propriétés adhésives de plusieurs matériaux à la suite de l’interaction du rayonnement ionisant avec les échantillons positionnés dans la piscine près du cœur du réacteur. 

La majeure partie de cette recherche effectuée au CMR dans ce domaine s’est concentrée sur des matériaux composites basés sur des polymères comme matériaux candidats pour la fabrication de containers étanches destinés à isoler le combustible nucléaire CANDU usé et d’autres déchets radioactifs de la biosphère pour des périodes aussi longues que 500 ans et plus dans un environnement rigoureux représentant les conditions de disposition des matières radioactives dans des souterrains profonds aménagés dans le Bouclier Canadien.  Cette recherche financée par le CRSNG a permis d’identifier parmi les bons candidats plusieurs matériaux composites comme le PolyÉtherÉtherCétone et le PolyÉtherimide qui se comparent favorablement aux métaux et aux alliages pour ce qui est de leur force mécanique et leur résistance aux rayonnements et à la corrosion.

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